Livsemulerende molekyler viser grundlæggende stofskifte

I et system med selvreplikerende molekyler, tidligere vist sig at have evnen til at vokse, opdele og udvikle sig, kemikere fra University of Groningen har nu opdaget katalytiske egenskaber, der resulterer i en grundlæggende metabolisme. Desuden, de koblede et lysfølsomt farvestof til molekylerne, hvilket gjorde dem i stand til at bruge lysenergi til at drive vækst. Disse fund, som bringer kunstigt liv et skridt nærmere, blev publiceret samtidigt i tidsskrifterne Naturkemi og Naturkatalyse den 26. juni.

Ti år siden, Sijbren Otto, Professor i systemkemi ved University of Groningens Stratingh Institute for Chemistry, opdaget en ny mekanisme til selvreplikation:små peptidholdige molekyler i opløsning danner ringe, der efterfølgende danner voksende stakke. Når en stak går i stykker, begge halvdele begynder at vokse igen. Desuden, væksten af ​​stakke udtømmer antallet af ringe i opløsning, og dette, på tur, stimulerer dannelsen af ​​nye ringe fra byggestenene. Systemet kunne også 'mutere', når forskellige byggeklodser blev tilføjet.

Imponerende opdagelse

Dette system, som opstod spontant, er en form for kunstigt proto-liv. "Definitionen af ​​liv er kompleks, men generelt, livet skal have tre grundlæggende egenskaber, " forklarer Otto. "Den første er replikering, og det sker i vores system. Det andet er stofskiftet, som skal skabe byggesten af ​​materialer i miljøet. Og den tredje er opdeling, som adskiller den levende organisme fra dens omgivelser." Til sidst, sådanne organismer bør udvikle en fjerde, mere avanceret ejendom, som er evnen til at udvikle sig og opfinde.

Otto og hans team satte sig for at foretage ændringer i deres molekyler for at tilføje katalytiske egenskaber. "Imidlertid, da vi startede projektet, vi gjorde en fantastisk opdagelse. Uden at kræve ændringer, systemet viste allerede katalyse; Det havde vi bare ikke lagt mærke til før." Stablerne vokser af ringe, der består af seks byggeklodser. Disse ringe er dannet ved at kombinere byggestenene af mindre ringe, der består af tre eller fire byggeklodser.

Udvikling

"Det viste sig, at stablerne af ringe katalyserer dannelsen af ​​de mindre ringe, " siger Otto. Yderligere analyse viste, at katalyse af denne reaktion kræver tilstedeværelsen af ​​to specifikke aminosyrerester (to lysinrester). "Hverken byggestenene eller de separate ringe har katalytiske evner, men det gør stakkerne. Så vi antager, at i disse stakke, en 3D-konfiguration af disse lysinrester opstår, der fungerer som det katalytiske center, ligesom proteiner former aktive steder ved at placere aminosyrerester i meget specifikke arrangementer, " forklarer Otto. Således, i de strukturer, der opstår som et resultat af deres evne til at replikere sig selv, aminosyrer bliver organiseret på en sådan måde, at de kan fungere som katalysatorer.

Stakkene er også i stand til retro-aldol-katalyse, en velkendt reaktion, der ofte bruges til at benchmarke indsatsen for katalysatordesign. "Interessant nok, vores stakke, som ikke er designet til at have katalytiske egenskaber, var lige så effektive som de bedst designede katalysatorer, vi kender." At finde ud af, at de samme stakke kan katalysere to meget forskellige reaktioner, er interessant. Mange enzymer har denne evne, som giver evolutionen en chance for at udvikle noget nyt.

Metabolisme

I en anden undersøgelse, et lysfølsomt farvestof blev tilsat. "Guille Monreal, en af ​​mine ph.d. studerende, læst, at et sådant farvestof kunne stimulere dannelsen af ​​reaktivt singlet oxygen i amyloidpeptider. Da reaktiv oxygen driver vigtige skridt i ringdannelsen, han ville se, om dette ville fremskynde dannelsen af ​​ringe." To forskellige farvestoffer blev fundet, der faktisk fremskynder ringdannelsen, når de udsættes for lys, men kun når de var bundet til stablerne. "Farvestofferne så ud til at fungere som cofaktorer for stakkene, ligesom nutidens proteiner bruger cofaktorer til deres katalyse, " siger Otto. Når den er bundet til de replikerende fibre, farvestoffet kan bruge energi fra lys til at skabe reaktiv singlet oxygen og derved øge dannelsen af ​​nye ringe.

Både den spontane katalyse af stakkene og katalysen medieret af cofaktoren resulterer i en slags metabolisme, der er forbundet med replikation. "Det er endnu ikke den slags stofskifte, man ser i levende organismer, " forklarer Otto. "I vores system, katalyse fremskynder blot reaktioner, der ville opstå langsomt uden hjælp. I livet, metabolisme driver også reaktioner, der ellers ikke ville forekomme."

Kunstigt liv

Imidlertid, Ottos kunstige system viser både replikation og en primitiv form for stofskifte. "Desuden, fra dette tidspunkt, kompartmentalisering er et relativt lille skridt." Så, er han tæt på at se kunstigt liv udvikle sig i hans reagensglas? "Ikke helt, " indrømmer Otto. "Det ville kræve, at systemet er i stand til åben evolution, hvilket betyder, at det kan udvikle funktioner, der ikke er til stede i systemet. Og vi har endnu ingen klar idé om, hvordan vi skal opnå det. Men vores system ser ud til at være et solidt grundlag, som vi kan komme derfra."